平 成 23 年 度
ミュー粒子を応用した地盤危険性探査技術の実用化に関する調査研究報告書
目次第１章

調 査 研 究 の 概 要 ............................................................................................. 1

1.1

調 査 研 究 の 背 景 と 目 的 ..................................................................................... 1

1.2

調 査 研 究 の 経 緯 ............................................................................................... 21.3

調 査 研 究 の 成 果 概 要 ........................................................................................ 3

第２章

改 良 型 マ ル チ 計 測 器 の 設 計 ・ 製 作 .................................................................. 52.1

改 良 型 マ ル チ 計 測 器 の 設 計 .............................................................................. 72.2

改 良 型 マ ル チ 計 測 器 の 製 作 .............................................................................. 9第３章

改 良 型 マ ル チ 計 測 器 の 工 場 試 験 .....................................................................173.1

試 験 方 法 ........................................................................................................173.2

試 験 結 果 ........................................................................................................183.3

試 験 の 成 果 .....................................................................................................21第４章

改 良 型 マ ル チ 計 測 器 の 湿 潤 環 境 下 試 験 ...........................................................23

4.1

試 験 方 法 ........................................................................................................234.2

試 験 結 果 ........................................................................................................28

4.3

試 験 の 成 果 .....................................................................................................34

第５章

現 地 計 測 ......................................................................................................355.1

試 作 器 B･C,改 良 型 マ ル チ 計 測 器 に よ る 地 下 施 設 で の 実 験 .................................355.2

計 測 結 果 ........................................................................................................38第６章

解 析 精 度 向 上 の た め の 実 験 的 検 討 .................................................................51

6.1

マ ル チ 計 測 器 の 計 数 効 率 .................................................................................51

6.2

ミ ュ ー 粒 子 の 長 期 変 動 が 解 析 結 果 に 与 え る 影 響 に つ い て ..................................546.3

計 測 点 数 が 解 析 結 果 に 与 え る 影 響 ...................................................................706.4

初 期 モ デ ル 構 築 手 法 の 検 討 .............................................................................71

第７章

実 用 化 シ ス テ ム 構 築 に 向 け た 検 討 .................................................................737.1

計 測 器 の 小 型 化 に 関 す る 検 討 ..........................................................................73

7.2

自 動 計 測 に 関 す る 技 術 的 検 討 ..........................................................................78

7.3

社 会 的 ニ ー ズ の 開 拓 .......................................................................................79

第８章

ま と め と 今 後 の 課 題 .....................................................................................87

8.1

調 査 研 究 の ま と め ...........................................................................................87

8.2

今 後 の 課 題 .....................................................................................................88

引 用 文 献 ...................................................................................................................89
巻 末 [資 料 編 ]現 場 記 録 デ ー タ シ ー ト お よ び 処 理 デ ー タ ...............................................91

【要1.

約】

調査研究の背景と目的

社会インフラの老朽化により、地下水で運ばれた土粒子が吸い込まれて、その上部に空洞が発生する。空洞はさらに地下水の流れなどにより成長し、地表付近まで到達し、その結果陥没を引き起こす。地盤の陥没は、道路や建物に被害を与えるだけでなく、最悪の場合人命が失われることもありうる。地盤内部に発生する空洞による被害はあまり公にされていないが、鹿児島県の大隈半島では防空壕の上部が陥没し、人が飲み込まれた事故が報道されている。兵庫県の海岸でも小学生が空洞に飲み込まれた。何れも人命が失われている。このような陥没事故を未然に防ぐためには、地盤内部の空洞を調査する必要がある。
これにより安全・安心な社会の実現に貢献できる。
本 研 究 で は 宇 宙 か ら 地 表 面 に 自 然 に 降 り 注 ぐ ミ ュ ー 粒 子 を 利 用 し て 、従 来 技 術 の 課 題（ 探査深度・分解能・ノイズ）を克服することができる地盤調査システムの実用化を目指す。
昨年度まで計測技術や地盤可視化技術（トモグラフィ）の基礎技術を培ってきた。実用化にあたっては計測時間の短縮化や地下の悪条件への対応（防滴）が必要である。本研究では、下水道の幹線や導水路などをターゲットとした防滴対応のための実用化システムを開発する。これらの空洞は下水道や地下鉄などの社会インフラ施設の周辺で生じている。これをインフラ施設の内部から探査できれば、陥没事故を未然に防ぐことができる。

2.

調査研究の経緯

ミュー粒子を工学的に利用し、成功した事例は皆無である。理学的には火山体についてのレントゲンのような手法（ラジオグラフィ）で浅間山のマグマの通り道を計測した例が報告されている（東京大学地震研究所）のみである。これは長期モニタリングの巨大な空間を対象としており、工業的利用とは異なっている。本研究は、レントゲンではなく、方向 性 を 持 っ て 計 測 す る た め 、 CT ス キ ャ ン の よ う に 三 次 元 で 立 体 的 に 計 測 し 、 可 視 化 す る点に特徴がある。また、ミュー粒子は自然に存在するものであり、放射線源などを使用することなく、安全に探査することが可能となる。
地盤陥没前に陥没の危険を予測する事業は道路における地中レーダ探査が一部行われてい る が 、 地 下 1～ 2m 程 度 の 極 浅 部 の み の 探 査 に 留 ま っ て い る 。 電 気 探 査 や 地 震 探 査 で は 、探査震度は満足するものの分解能の点で課題がある。一方、物理探査の分野では密度を測る方法としては重力探査しかなく、小規模な空洞探査には分解能の点で不足する。このよう に 地 下 10m 程 度 ま で を 高 分 解 能 で 探 査 で き る 手 法 は ミ ュ ー 粒 子 を 利 用 す る こ と で 実 現できる。
平 成 20～ 22 年 の 3 ケ 年 、（ 財 ）機 械 シ ス テ ム 振 興 協 会 か ら の 委 託 事 業 と し て 自 然 宇 宙 線
ミュー粒子を活用した地下空洞調査技術の開発に関する調査研究ならびにフィージビリティスタディを実施し、それを実験的かつ理論的にも示してきた。
20 年 度 は 空 間 的 分 解 能 や 密 度 推 定 精 度 の 実 験 的 検 討 お よ び 解 析 的 検 討 を 実 施 し た 。同 時に実験器を試作し、地下の実験場でミュー粒子の角度分布を測定し、空洞に見立てたガス管を検知することを確認するとともに、測定位置を変えて測定することでトモグラフィ解析の適用可能性を実験的に示した。
21 年 度 は 試 作 機 の 最 適 化 を 検 討 す る た め に 仕 様 の 異 な る 小 型 の 試 作 器 を 2 台 製 作 し た 。
同時にトモグラフィ解析アルゴリズムを開発するとともに、地下計測実験を実施し、取得したデータに適用させて二次元密度構造断面図による地盤の可視化に成功した。
22 年 度 は 、計 測 効 率 を 向 上 さ せ る た め に 同 時 に 5 方 向 の デ ー タ を 取 得 で き る マ ル チ 計 測器を開発した。データの品質を低下させることなく、計測効率を向上させることを実験により確認した。同時に三次元トモグラフィ解析アルゴリズムを開発し、地盤の三次元密度構造断面図を得た。さらに実用化のための周辺技術調査を行い、実用化課題を明らかにした 。そ の 結 果 、実 用 化 に あ た っ て は 計 測 時 間 の さ ら な る 短 縮 化 や 地 下 の 悪 条 件 へ の 対 応（ 防滴）が必要であることが判明した。
残された課題が、地下環境で使えるように、防塵、防滴対策等をして、実用化することで あ る 。こ れ ま で の 調 査 研 究 で 開 発 し て き た 技 術 を 基 に 、23 年 度 は（ 財 ）Ｊ Ｋ Ａ の 自 転 車
等機械工業振興補助事業として、地下環境への対応（防滴・防塵等）を図るための新たな計測機器の開発を進めるとともに、地中空洞探査のニーズが多い下水管や導水路等を対象とした実用化システムを開発することに特徴がある。本調査研究によって、実際の地下で使用できる実用機を世界で初めて開発する。

3.

調査研究のまとめ

今 年 度 の 調 査 研 究 は 、① マ ル チ 計 測 器 の 改 良 、② 改 良 後 の 工 場 試 験 、③ 改 良 後 の 現 地
試験、④ データの蓄積、⑤ 精度向上のための検討、⑥ 実用化のための検討、を行った。
以下、各項目のまとめを示す。
① マルチ計測器の改良
マ ル チ 計 測 器 を 防 滴 構 造 に 改 良 す る た め に 、検 出 器 の ハ ウ ジ ン グ を 改 良 す る と 共 に 、コ ネ ク タ を 防 滴 構 造 と し た 。 計 測 部 本 体 に は 防 滴 構 造 の ケ ー ス で 覆 い 、 収 録 用 PC は防滴型に交換した。
② 改良後の工場試験
JIS 規 格 に 基 づ き 、 各 機 器 の 工 場 試 験 を 行 い 、 防 滴 加 工 の 効 果 を 確 認 し た 。
③ 改良後の現地試験
結露を伴うような厳しい湿潤条件において、長期の試験を行い、データの安定性について確認した。
④ データの蓄積
平 成 22 年 度 の 測 線 に さ ら に 2 本 を 追 加 し た 上 、 改 良 型 マ ル チ 計 測 器 を 用 い て 、 測線と直交する方向で天頂角分布を測定した。また、試作器Ａを用いた長期定点計測を実施した。
⑤ 精度向上のための検討④で取得したデータを用いて見かけ密度マップを作成したところ、ラジオグラフィ（レントゲン方式）と同じような画像が得られた。これを初期モデルとすることで、既知情報がなくても初期モデルを構築することができる。
長期にわたる計測（特に長期モニタリング）の場合、ミュー粒子の時間変動が問題となる。地下での定点観測の結果、気象条件や太陽活動に伴う地球磁場の変動や装置

の 温 度 変 化 な ど が 、長 期 的 な ミ ュ ー 粒 子 時 間 変 動 の 原 因 で あ る こ と が わ か っ た 。今 後 、さらにデータを蓄積して、密度の決定精度の向上や長期健全性モニタリングなどへの適用可能性が拓けてきた。
生データに近い見かけ密度マップにより、空洞の有無を判定することができること
が 示 さ れ た 。 こ の 場 合 の 分 解 能 は 土 被 り の 1/10 程 度 に な る と 考 え ら れ る 。
⑥ 実用化のための検討
小型三次元マルチ計測器や自動測定、長期の電源確保に関する検討を行った。さらに 社 会 的 ニ ー ズ の 調 査 を 行 い 、こ れ ま で の 3 年 間 の 調 査 研 究 お よ び フ ィ ー ジ ビ リ テ ィ
スタディの結果も踏まえて、社会的ニーズのとりまとめと、個々の課題などについて抽出した。

4.

今後の課題

平 成 20 年 度 か ら 23 年 度 の 4 年 間 で 得 ら れ た 調 査 研 究 お よ び フ ィ ー ジ ビ リ テ ィ ス タ デ ィ
により、計測および解析技術に関して以下の成果が得られた。
① マルチチャンネル化により計測効率を向上させることができる② 計測機器に防滴構造を用いることで、厳しい地下環境でも計測が可能であること。
③ 三次元トモグラフィ解析技術により地下の密度分布を可視化することができること。
社会的ニーズを考慮すると以下の課題が考えられる。
① 浅 い 下 水 道 管 の 場 合 、 1m 以 下 の 細 い も の が 多 く 、 こ れ に 入 れ ら れ る 様 な 大 き さ の計測機器が必要である。
② 一方、計測機器の検出器を小さくすると計測に時間がかかるという問題がある。
③ 計測時間の短縮にはマルチチャンネル化と台数を増やす方法がある。
これらのことを考慮すると、小型かつチャンネル数のより多い計測機器の開発が望まれる。さらに、現在のマルチ計測器では、位置を移動する、あるいは角度を変える作業を人力で行っている。そのため、測定作業員を現地に常駐させるなどの必要があり、コストがかかる。そのため自動で移動し角度を変える装置を付加する、あるいはインターネットや携帯電話を介してデータ転送を行う装置の付加が必要となる。